Інститут Агроекології та Біотехнології

Української Академії Аграрних Наук

УДК 504.054:546.79(477)

Виноградська Вікторія Дмитрівна

УДК

Динаміка накопичення 137Cs сільськогосподарськими культурами в умовах Українського Полісся та Лісостепу

03.00.16 - екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті сільськогосподарської радіології Міністерства Аграрної політики України

Науковий керівник - | Академік УААН, доктор біологічних наук, професор, Лауреат Державної премії СРСР

Прістер Борис Самуїлович,

Український науково-дослідний інститут сільськогосподарської радіології МінАПК України, смт Чабани Київської обл.

Офіційні опоненти: | Доктор сільськогосподарських наук, професор

Писаренко Павло Вікторович

Полтавська державна аграрна академія МінАПК України, м.Полтава

Кандидат біологічних наук

Перепелятніков Георгій Петрович

Український радіологічний учбовий центр

МНС України, м.Київ

Провідна установа - | Інститут землеробства УААН,

смт Чабани Київської обл.

Захист відбудеться 25 січня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Інституту агроекології та біотехнології УААН за адресою: 03143, м.Київ, вул.Метрологічна, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту агроекології та біотехнології УААН.

Автореферат розісланий 24 грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради | Л.І.Моклячук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Важливою задачею радіоекології після Чорнобильської катастрофи стало прогнозування радіаційної обстановки, зумовленої забрудненням 137Cs сільськогосподарських угідь, що потребує точного визначення параметрів часової поведінки радіонукліду в ланці "грунт-рослина".

Узагальнюючи літературні дані (Гребєнщикова Н.В., 1992; Рибалко І.Є., Кірсенко В.Н., 1997; Фесенко С.В., 1996; Іванов Ю.О., 2001), можна стверджувати про зменшення коефіцієнту переходу 137Cs з грунту в рослини з часом, але кількісні оцінки такого процесу важко визнати достатніми для надійного прогнозування радіаційної обстановки на забруднених територіях, так як результати різних науковців, отримані в різноманітних умовах з застосуванням нестандартних методів та методик проведення експерименту, значно відрізняються. В роботі отримані параметри динаміки коефіцієнтів переходу 137Cs з 4-ьох типів грунту (10 різновидів) представницьких для території України різновіддалених від епіцентру аварії (до 300 км) в 14 сільськогосподарських культур, вживання яких формує основну дозу внутрішнього опромінення населення, що дозволяє більш точно прогнозувати забруднення продукції рослинництва та тваринництва, а також планувати контрзаходи при перевищенні гігієнічно-нормативних рівнів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є розділом комплексних досліджень, що проводилися УкрНДІСГР за темою "Комплексний радіологічний моніторинг ведення рослинництва, тваринництва та апробація і оцінка контрзаходів в сільськогосподарському виробництві на радіоактивно забруднених територіях" (1998, №ДР 0197V012852, 1999-2000 р.р., №ДР 0199V000532, 2001-2003 р.р., №ДР 0101U002999) і виконувалися в рамках Національної програми мінімізації наслідків Чорнобильської катастрофи №3422-XXII.

Мета та завдання дослідження. Метою даної роботи була розробка моделі динаміки накопиченя 137Cs сільськогосподарськими культурами на представницьких для Українського Полісся та Лісостепу грунтах і кількісна оцінка її параметрів.

Відповідно до поставленої мети передбачалося:

-

-

-

-

-

-

-

-

Об'єктом дослідження є 16 видів сільськогосподарських культур, що вирощуються в реальних виробничих умовах на території Українського Полісся і Лісостепу на торфово-болотних, дерново-підзолистих, сірих опідзолених грунтах і чорноземах, забруднених випадіннями після Чорнобильської катастрофи.

Предметом дослідження було вивчення основних закономірностей накопичення 137Cs рослинами в залежності від типу грунту, біологічних особливостей рослин та часу взаємодії нукліду з грунтом.

Методи досліджень. Багаторічний систематичний радіоекологічний моніторинг проводився за єдиною методикою. Основні аналітичні дослідження проводили в лабораторіях УкрНДІСГР з використанням загальноприйнятих методів агрохімічного та -спектрометричного аналізу. БД створена в програмному забезпеченні Microsoft Access. Для обробки та перевірки гіпотез використовували пакети прикладних програм Microsoft Excel та Statgraphics Plus3.0.

Наукова новизна роботи. Створено єдиний повний і неперервний в часі після Чорнобильської катастрофи масив даних радіоекологічного моніторингу ланки “грунт-рослина”. Доведено, що величина накопичення 137Cs сільськогосподарськими культурами в умовах радіоактивного забруднення територій Українського Полісся та Лісостепу лінійно залежить від щільності забруднення грунту незалежно від типу грунту, виду сільськогосподарської культури і часу після аварії. Підтвердження лінійної залежності накопичення радіоцезію рослинами від рівня забруднення грунту та отримані кількісні параметри цієї залежності дозволили вперше описати динаміку накопичення радіоцезію рослинами двохкомпонентною спадаючою експоненційною функцією і визначено кількісні параметри такої моделі. Аналіз оцінених параметрів дозволив пояснити основні механізми сорбції радіонукліду грунтово-поглинаючим комплексом (ГПК). Розширено уявлення про обмінну, селективну та високо селективну сорбцію радіоцезію в грунтах.

Практична цінність роботи. Створена база даних використовується радіологічними службами для оцінки радіологічної ситуації на сільськогосподарських угіддях, забруднених внаслідок Чорнобильської катастрофи. Отримані параметри моделі динаміки 137Cs з грунту в сільськогосподарські культури дають змогу прогнозувати рівень забруднення продукції рослинництва і тваринництва, а також планувати радикальні захисні заходи на цих територіях.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних по темі дисертації, ввійшли до методичних рекомендацій "Ведення сільського господарства в умовах радіоактивного забруднення території України внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС на період 1999-2002 р.р." (1998), а також були використані при розробці Національної програми мінімізації наслідків Чорнобильської катастрофи на 2001-2005 роки та до 2010 року та Концепції ведення агропромислового виробництва на забруднених територіях та їх комплексної реабілітації на період 2000-2010 р.р. (2000).

Особистий внесок здобувача. Автором проведені польові дослідження в період з 1998 по 2003 р.р. (біля 2000 усереднених зразків грунту і рослин). Створено базу даних в програмному забезпеченні Microsoft Access і заповнено її експериментальними даними за 1987-2003 р.р. Відпрацьовано алгоритм і проведено статистичну обробку результатів. Розроблено модель динаміки 137Cs з різних типів грунту в сільськогосподарські культури та визначено її параметри.

Апробація роботи. Результати досліджень та основні положення дисертації щорічно доповідали та обговорювали на методичних семінарах відділу ведення рослинництва на техногенно забруднених територіях та засіданнях вченої ради УкрНДІСГР (1998-2003); науково-практичних конференціях: "Наука. Чорнобиль-98" (Київ, 1999), "Проблемы ведения АПК на радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных землях в отдаленный после Чернобыльской катастрофы период" (Брянск, 1999); Міжнародній конференції "П'ятнадцять років Чорнобильської катастрофи. Досвід подолання." (Київ, 2001); VI Конференції Міжнародного Чорнобильського центру "2003: міжнародне співробітництво - Чорнобилю" (Славутич, 9-12 вересня 2003 р.); наукових семінарах в Чорнобильському науковому центрі міжнародних досліджень, Інституті ядерної та радіаційної безпеки (IRSN, Франція, 2000-2003); III-ьому з'їзді з радіаційних досліджень (радіобіологія, радіоекологія) (Київ, 21-25 травня 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 праць, з них 3 - у фахових виданнях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 167 сторінках комп'ютерного набору і складається із вступу, 5-ти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Текст ілюстровано 27 таблицями, 13 малюнками. Список використаних джерел включає 201 найменування, в тому числі 34 зарубіжних авторів. Додаток містить 4 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

УМОВИ, ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Багаторічні польові дослідження проводили в колективних господарствах у виробничих умовах за єдиною затвердженою Міністерством сільського господарства України та Південим відділеням ВАСГНІЛ методикою проведення радіоекологічного моніторингу (1987-1995 р.р.). Автор дисертації продовжила моніторинг протягом 1998-2003 р.р.

Дослідження проводили на території чотирьох найбільш забруднених внаслідок аварії на ЧАЕС областей України (Київська, Чернігівська, Житомирська, Рівненська), грунти яких представлені такими типами: торфово-болотні, дерново-підзолисті, сірі опідзолені, чорноземи та чорноземи опідзолені (табл.1). Вибраний для дослідження регіон представляє собою територію дальнього Західного та Південного слідів викиду радіоактивних речовин при аварії на ЧАЕС, для яких характерне радіоактивне забруднення переважно конденсаційною компонентою випадінь. Рівні забруднення грунту 137Cs на більшості полів досліджуваних господарств наближалися до державного нормативу для ведення сільського господарства на 1986 рік (555 ).

Таблиця 1 - Агрохімічна характеристика грунту дослідних господарств.

Тип грунту | Область | pH | Гумус, % | СПО, мг-экв/100 г грунту | K, мг/100 г грунту | Мул, %

Дерново-підзолистий піщаний | Київська, Чернігівська | 4,4-6,0 | 0,40-0,95 | 6,1-18,1 | 2,8-12,0 | 5,0-7,2

Дерново-підзолистий супіщаний | Київська, Чернігівська, Житомирська | 4,4-6,0 | 0,48-0,97 | 6,0-17,6 | 2,0-10,2 | 6,6-10,2

Дерново-слабопідзолистий піщаний | Чернігівська | 4,5-5,8 | 0,73-1,0 | 8,4-13,6 | 5,5-8,7 | 6,8-7,8

Дерново-слабопідзолистий супіщаний | Київська, Рівненська | 4,3-6,6 | 0,38-2,3 | 2,9-19,1 | 2,4-14,0 | 6,2-11,6

Дерново-підзолистий глеєвий | Рівненська | 5,1-6,5 | 0,96-1,8 | 16,1-20,1 | 7,8-12,8 | 13,8-14,2

Дерново-підзолистий глинисто-піщаний | Житомирська, Рівненська | 5,4-7,2 | 0,85-3,2 | 5,6-18,7 | 3,2-20,0 | 14,5-19,3

Сірий опідзолений | Київська | 5,3-6,6 | 0,92-1,9 | 8,4-16,5 | 5,8-11,4 | 12,1-22,3

Чорнозем опідзолений | Київська | 4,9-6,6 | 0,60-2,1 | 7,5-19,9 | 4,0-12,6 | 25,7-32,4

Чорнозем типовий | Київська | 5,4-7,5 | 1,5-3,9 | 10,5-33,1 | 11,6-37,1 | 24,7-27,2

Торфово-болотний | Рівненська, Житомирська, Київська, Рівненська | 3,8-6,6 | - | 2,3-19,0 | 2,0-18,5 | -

На початку дослідження сітка моніторингу включала 33 господарства 29 районів вищевказаних областей. З 1998 р. сітка моніторингу скоротилася до 16 господарств 13 районів і охопила всі раніше досліджувані типи грунтів. В кожному господарстві дослідженню підлягали від 5 до 10 полів польової і овочевої сівозмін та сінокоси.

В роботі досліджували 16 видів сільськогосподарських культур, що входять до складу раціонів тварин і людини: сіяні злакові (тимофіївка лучна, костриця лучна, грястиця збірна, стоколос безостий) та природні трави, кукурудзу, люцерну, конюшину червону, віку, люпин жовтий, білокачанну капусту, томати, огірки, картоплю, цибулю ріпчасту, кормовий буряк, озиму пшеницю, ячмінь, жито.

Щорічно відбирали спряжені зразки “грунт-рослина” так, що зразок грунту відповідав умовам розташування зони кореневого шару рослин, включених до складу середнього зразка. Зразки кожного виду культур та грунту відбирали у фазі продуктивної стиглості рослин.

Середній репрезентативний зразок грунту відбирався на кожному полі і включав 25 індивідуальних зразків, відібраних по площі поля за методом конверту: 5 конвертів, розміщені на кінцях та перетині діагоналей поля так, щоб виключити вплив мікроландшафту. Індивідуальні зразки грунту відбирали за допомогою буру діаметром 10 см на глибину орного горизонту (0-20 см для мінеральних грунтів, 0-25 см для органічних грунтів). Середній представницький зразок злакових рослин та трав відбирали з площі 0,50,5 м (методом рамки) у 5-ти повторностях на кожному полі. Середній зразок просапних культур і овочів складався з 50 рослин - відбирали по 10 рослин у 5-ти рядках з тієї ж площі, що і зразки грунту.

Агрохімічні показники грунту визначали за загально прийнятими методиками. Питому активність 137Cs у рослинах та грунті визначали на високоефективному низькофоновому гама-спектрометрі “ADCAM-300” з напівпровідниковим детектором із високочистого германію “GEM-30185”.

Мінералогічний склад грунтів регіону дослідження було проведено в Інституті грунтознавства та агрохімії ім.А.Н.Соколовського. Гранулометричний склад зразків грунту, було визначено оптичним методом на приладі Granulometre-850 “CILAS” (Франція).

Формування бази даних багаторічного радіоекологічного моніторингу та алгоритм їх обробки

Формування бази даних. На першому етапі розроблено основні вимоги до інформації з врахуванням цілей роботи і на їх основі проведено попередній відбір даних. В БД включили тільки ту інформацію, яка забезпечувала спряженість зразків грунту та рослин, тобто зразки рослин були відібрані з тієї ж площі і в той же час, що і зразок грунту, а опис грунту містив дані про агрохімічний аналіз і вказівку на місце відбору.

На другому етапі розроблено структуру БД. Оболонку масиву створено в програмному забезпеченні Microsoft Access, яке передбачає імпортування занесених даних в таблиці формату Microsoft Excel і надалі дозволяє використовувати стандартні засоби статистичної обробки (Statgraphics Plus3.0 та інш.). Загальна кількість даних складає 3572 пари "грунт-рослина".

Розробка алгоритму обробки даних. Було детально розроблено та застосовано алгоритм обробки і аналізу даних. Проведено “експертну оцінку”, яка відображає ступінь відповідності об’єктивних властивостей грунту та узгодженості даної інформації з основними закономірностями поведінки радіоцезію в системі "грунт-рослина". Формування вибірки значень коефіцієнтів переходу 137Cs з грунту в рослини для аналізу залежності питомої активності радіоцезію в сільськогосподарських культурах від щільності забруднення грунту та динаміки коефіцієнту переходу радіоцезію з грунту в рослини проводили за такими показниками: вид культури, тип грунту, час після випадіння (рік дослідження). Статистичною обробкою даних було встановлено, що розподіл значень TFij(t) 137Cs з грунту в рослини в межах сформованих вибірок підчиняється нормальному закону. Для відсіву аномальних значень коефіцієнтів переходу скористалися критерієм Ст’юдента. Середні значення параметру для вибірки перераховували за даними скороченої вибірки після виключення вибракуваних значень TFij(t). Таким чином було створено набір середніх значень TFij(t) для кожної комбінації "культура-грунт-рік".

Наступним етапом обробки даних була перевірка гіпотези про лінійну залежність питомої активності 137Cs в сільськогосподарських культурах (SA) від щільності забруднення грунту (D) в межах кожної вибірки. Параметри лінійної залежності знаходили за методом найменших квадратів (МНК).

Заключною стадією аналізу БД стало дослідження залежності коефіцієнту переходу TFij(t) від часу та визначення її параметрів. Оскільки динамічна залежність має нелінійний характер, було використано апарат нелінійного методу найменших квадратів (НМНК).

ДОСЛІДЖЕННЯ залежності концентрації 137Cs в рослинах від щільності забруднення грунту

Проводити аналіз даних та визначати динамічні параметри величини накопичення радіонуклідів рослинами в широкому діапазоні щільності забруднення грунту 137Cs (D) можна тільки після перевірки лінійності залежності між питомою активністю раідоцезію в рослинах - SA та D, тобто в разі відсутності залежності коефіцієнту переходу радіонуклідів з грунту в рослини від рівня забруднення грунту в конкретних умовах радіоактивного сліду аварії на ЧАЕС. Розглянуті літературні дані не дозволяють зробити однозначний висновок про характер залежності величини накопичення 137Cs рослинами від концентрації радіонукліду в грунті. Встановлення лінійності залежності між SA та D дає можливість отримати дані про радіаційний стан і відповіді на питання про можливість його прогнозування на територіях з різною щільністю забруднення грунту за усередненими по групі грунтів значеннями коефіцієнтів переходу 137Cs в різні періоди після аварії.

Створена база даних дала можливість перевірити гіпотезу про лінійність залежності між SA та D на основі аналізу 641 спряженої пари "грунт-рослина", що були розподілені по типам грунту таким чином: торфово-болотні - 84 пари по значення, дерново-підзолисті - 206 пар по значень, сірі опідзолені - 189 пар по значення, чорноземи - 162 пари по значень.

Графічно приклади лінійної залежності питомої активності радіоцезію від щільності забруднення грунту представлені на рис.1.

Була висунута гіпотеза про лінійний вид залежності між питомою активністю 137Cs в сільськогосподарських культурах та рівнем забруднення грунту такого виду: |

(1)

де SA - питома активність 137Cs в культурі, ;

D - щільність забруднення грунту 137Cs, ;

TFf - коефіцієнт пропорційності, або в даному випадку - коефіцієнт переходу TF 137Cs з грунту в рослинність, ()/().

Пара SA=0,D=0 була включена до складу кожної проаналізованої вибірки як початкова умова.

Рис.1 - Лінійна залежність між питомою активністю 137Cs в сільськогосподарських культурах та щільністю забруднення грунту:

а) природних трав на дерново-підзолистому грунті в різні роки після аварії: 1-1987, 2-1989, 3-1993, 4-1999;

б) ячменю в 1991 році на грунтах: 1-торфово-болотному, 2-дерново-підзолистому, 3-сірому опідзоленому, 4-чорноземі;

в) на чорноземі в 1987 р.: 1-цибуля, 2-картопля, 3-буряк;

Аналіз коефіцієнту детермінованості R2 лінійної залежності концентрації радіоцезію в рослинах від щільності забруднення грунту показав, що гіпотеза про прямопропорційну залежність підтверджується для всіх досліджуваних культур на різних типах грунту і може бути прийнята з високим рівнем достовірності (p=0,95).

Відмінності значень TFf 137Cs, розрахованих методом найменших квадратів як коефіцієнт пропорційності між SA і D, від усереднених значень TF в межах вибірки, не перевищували 15% для всіх типів грунту. Відмічені розбіжності лежать в межах точності визначення параметрів SA і D. Цей факт дозволяє зробити висновок, що вплив щільності забруднення грунтів на накопичення нукліду в рослинах був вирішальним і значно більшим, ніж вплив відмінностей у характеристиках грунту, погодних умовах, технологіях вирощування і таке інше.

Встановлена прямопропорційна залежність SA від D переконливо доводить, що коефіцієнт переходу 137Cs в рослинність не залежить від рівня забруднення грунту і його слід розглядати як важливу радіоекологічну характеристику виду сільськогосподарської культури при вирощуванні на конкретному типі грунту.

За доступністю для засвоєння 137Cs сільськогосподарськими рослинами, грунти утворюють спадаючий ряд: торфово-болотний, дерново-підзолистий, сірий лісовий, чорнозем.

Незалежно від типу грунту, на якому вирощуються вивчені сільськогосподарські культури, за зменшенням TF 137Cs вони розміщуються в такій послідовності: сіно природних трав, сіно сіяних злакових трав, зелена маса кормових культур (віка, конюшина, люцерна, люпин, кукурудза), овочеві культури (качани капусти, плоди томатів, плоди огірків), коренеплоди буряку, цибуля, бульби картоплі, зерно зернових культур (озима пшениця, озимий ячмінь, озиме жито). Найбільше значення коефіцієнту переходу 137Cs відмічено для сіна природних трав, найнижче - для зерна злаків. Спостерігалися розбіжності між рівнем накопичення 137Cs в цих культурах до 35 раз.

Приймаючи до уваги важливість підтвердження існування лінійної залежності влітку 1999 року було проведено спеціальне експериментальне дослідження залежності між концентраціями радіонуклідів в грунті та природних лучних травах в ближній зоні чорнобильських випадінь, представлених сумою конденсаційної та паливної компонент з більшою частиною останніх. Високий градієнт щільності забруднення грунту (від 587 до 7400 на відстані 600 м) забезпечив тотожність агрохімічних показників точок відбору, що дозволило запобігти їх впливу на накопичення радіоцезію в рослинах. Цей експеримент підтвердив гіпотезу про прямопропорційний закон залежності величини накопичення радіоцезію рослинами від рівня забруднення грунту у ближній зоні чорнобильських випадінь.

Аналіз величини TF 137Cs в фітомасу в різні роки дослідження показав, що лінійний закон залежності концентрацій 137Cs в грунті та в рослинах зберігається з часом, а кут нахилу прямої зменшується, тобто абсолютна величина коефіцієнту переходу зменшується.

Підтвердження у даній роботі лінійної залежності між питомою активністю 137Cs в сільськогосподарських культурах та рівнем забруднення грунту має методологічне значення і дає підставу усереднити значення коефіцієнтів переходу 137Cs для визначеної культури, отриманих в різних господарствах з певним типом грунту в конкретний рік дослідження.

динаміка коефіцієнту переходу 137Cs з різних типів грунту зони Українського Полісся в основні сільськогосподарські рослини

Для дослідження динаміки TFij(t) було використано біля 7 тисяч даних про питому активність грунтів та рослин (3403 спряжених пар даних про концентрацію 137Cs в грунті та рослинах). З цього інформаційного масиву було сформовано 45 вибірок, що характеризують динаміку накопичення радіоцезію 14 культурами при вирощуванні на чотирьох типах грунту протягом 8–17 років.

Приклади типової залежності коефіцієнту переходу (TFij(t) від часу для деяких пар "грунт-рослина" наведені на рисунку 2а). Чітко видно: в перший період після аварії (3-4 роки) величина коефіцієнту переходу зменшувалася швидко, а надалі – повільно, що свідчить про наявність двох різних за природою процесів сорбції 137Cs грунтом. Математична обробка даних показала, що після попадання 137Cs у грунт і надалі динаміка зменшення TFij(t) у часі для всіх без винятку досліджених культур і типів грунту може бути апроксимована сумою 2-ох експонент (рис.2б).

Рис. 2. Динаміка TF(t) 137Cs з грунту в сільськогосподарські культури:

а) з торфово-болотного грунту в: 1-сіно природних трав, 2-сіно сіяних злакових трав, 3-коренеплоди буряка, 4-зерно ячменю;

б) з дерново-підзолистого грунту в зерно озимої пшениці.

Зниження коефіцієнту переходу TF(t) 137Cs з грунту в рослини за рахунок ґрунтових процесів перетворення форм радіонукліду з часом описували за допомогою рівняння: |

(2)

Для всіх регресійних рівнянь отримані досить високі значення коефіцієнту кореляції (r>0,992) та коефіцієнту детермінованості R2 (0,75-0,99).

Значення параметрів TF0, a0q, a0s були приведені до нульового моменту часу, або моменту встановлення дійсної рівноваги в системі "грунтовий розчин-тверда фаза грунту", тобто .

Перший множник рівняння динаміки TF0 характеризує біологічні особливості рослин і відображає коефіцієнт переходу 137Cs з грунту в рослини в рік випадіння (). Множник в фігурних дужках характеризує процес трансформації доступних для рослин іонообмінних форм радіоцезію в грунті в малодоступні.

Параметрами рівняння динаміки коефіцієнту переходу радіоцезію з грунту в рослини виступають:

- "нульовий" коефіцієнт переходу TF0, значення якого знаходили шляхом екстраполяції на рік випадіння за допомогою методів статистики. TF0 - характерний параметр для кожного виду рослин на конкретному типі грунту при умові, що зміни форм радіонукліду після надходження до грунту ще не відбулися;

- період напівзменшення обмінних форм радіоцезію в грунті Teq, який є оберненою величиною константи швидкості селективної сорбції радіонукліду;

- період напівзменшення селективно сорбованих форм 137Cs в грунті Tes, що відображає швидкість переходу радіоцезію в стійко сорбований стан;

- a0q і a0s - доля іонів Cs+, фіксованих за різними механізмами в початковий момент часу, тобто у момент встановлення дійсної рівноваги в системі “грунтовий розчин-тверда фаза грунту”.

Значення параметру, який характеризує біологічні особливості сільськогосподарських культур, представлені в таблиці 2. Найбільші абсолютні значення TF0 серед культур спостерігались для сіна природних трав. Сіяні злакові трави накопичують радіоцезій в 2,0-4,1 рази менше, ніж природні. Відмінності між TF0 в сіно сіяних злакових трав та зелену масу кормових трав (люцерну, конюшину, кукурудзу) складають від 1,7 до 2,6 раз. Максимальні значення екстрапольованого коефіцієнту переходу радіоцезію в цій групі відзначаються для конюшини. Найменше значення TF0 в групі кормових трав отримано для кукурудзи. Значення "нульового" коефіцієнту переходу в овочеві культури майже однакові з кормовими травами (відмінності становлять 1,1-1,4 раз). Серед овочевих культур найбільшою акумуляцією 137Cs відрізняються качани капусти, меншою - плоди томатів і огірків. Значно менші, ніж для овочевих (2,2-3,3 рази), абсолютні значення TF0 спостерігаються для групи, яка включає бульби картоплі, коренеплоди буряка та цибулю. Найменшим серед всіх дослідних культур накопиченням 137Cs характеризується зерно злакових культур. Середнє значення TF0 для зернових в 1,4 рази менше, ніж для попередньої групи культур.

Таблиця 2 - Значення екстрапольованих на 1986 рік коефіцієнтів переходу 137Cs TF0 з різних типів грунту в основні сільськогосподарські культури.

Культура | Торфово-болотний | Дерново-підзолистий | Сірий опідзолений | Чорнозем

Природні трави | 240 | 26 | 10 | -

Сіяні злакові трави | 94 | 6,4 | 4,9 | 3,7

Конюшина | - | 4,9 | - | 2,2

Люцерна | - | 3,9 | 2,1 | 2,0

Кукурудза | 36 | 2,7 | 1,6 | 1,7

Капуста | - | 4,2 | 2,2 | 1,8

Томати | - | 3,1 | 2,0 | 1,0

Огірки | - | 3,2 | 1,9 | 1,5

Цибуля | - | 2,0 | - | 0,53

Буряк | 13 | 1,6 | 0,50 | 0,90

Картопля | 8,5 | 1,1 | 0,72 | 0,29

Озима пшениця | - | 1,1 | 0,59 | 0,23

Ячмінь | 6,9 | 0,84 | 0,80 | 0,51

Жито | 7,8 | - | 0,47 | -

Кратність відмінностей | 34 | 31 | 21 | 16

Величина "нульового" коефіцієнту переходу, як середніх значень для груп, так і для всіх досліджуваних сільськогосподарських культур окремо, зменшується згідно такого ряду грунтів: торфово-болотний, дерново-підзолистий, сірий опідзолений, чорнозем.

Вклад процесів швидкої та повільної фіксації 137Cs в формування величини коефіцієнту переходу в початковий момент часу відображають величини a0q та a0s для всіх досліджених культур і грунтів. Середнє по всім культурам значення a0q збільшується в ряду торфово-болотний (0,92), дерново-підзолистий (0,93), сірий опідзолений (0,94), чорнозем (0,98). Засвоєння іонів 137Cs рослинами в даному випадку відображає концентрацію іонів нукліду у грунтовому розчині, яка в свою чергу залежить від сорбційних властивостей грунту. Доля фракції, яка фіксується повільно a0s, зменшується в тій же послідовності грунтів, що і для a0q, майже в чотири рази – від 0,081 до 0,023, що свідчить про різний вклад процесів високоселективної сорбції в накопичення 137Cs рослинами з грунту. Представляє інтерес, що максимальне значення a0s характерне для торфово-болотного грунту, а мінімальне – для чорнозему. Очевидно, це пов’язано в значно більшій мірі не з відмінностями у гранулометричному складі грунтів, або загальною кількістю сорбційних місць, а з їх якістю. Високі абсолютні значення параметра a0q вказують на те, що в рік радіоактивних випадінь більше як 90% радіонукліду знаходиться в формі обмінного фізико-хімічного поглинання, з якої надалі поступово переходить в селективно поглинену форму.

Величина екологічного періоду напівзменшення коефіцієнту переходу (швидка компонента) Teq (табл.3) для всіх видів культур на торфово-болотному грунті лежить в межах від 0,81 до 0,97 року, дерново-підзолистого - 1,4-2,5 років, чорнозему – 1,0-1,5 років, сірого опідзоленого – 1,5-1,9 років.

Найменше середнє по всім культурам значення періоду напівзменшення коефіцієнту переходу 137Cs спостерігається на чорноземі (1,3 року), більше – для сірого опідзоленого (1,7 року) і найбільше – для дерново-підзолистого грунту (1,8 року). Заслуговує уваги, що мінімальне значення Teq - менше, ніж для мінеральних грунтів, отримано для органічного торфово-болотного грунту (0,89 року).

Спостерігається збільшення значення періоду напівзменшення коефіцієнту переходу 137Cs Tes (уповільнення процесу) в послідовності грунтів: торфово-болотний, дерново-підзолистий, сірий опідзолений, чорнозем. Відмінності величини Tes для різних грунтів істотні.

Найменший період напівзменшення доступних для рослин форм 137Cs за рахунок фіксації, тобто найбільша швидкість фіксації радіоцезію, характерний для торфово-болотного грунту - 6,6 років. Для дерново-підзолистого грунту середнє значення Tes майже в 3,0 рази більше (20 років), для сірого опідзоленого в 7,0 раз (44 роки) і в 18 разів для чорнозему (112 років). Вірогідно, що місць фіксації 137Cs в ультра-мікроконцентраціях достатньо в будь-якому грунті, навіть якщо він містить невелику кількість глинистих мінералів, як у випадку торфово-болотного грунту.

Таблиця 3 - Значення періодів напівзменшення коефіцієнту переходу 137Cs в рослини на різних типах грунту, роки.

Культура | Торфово-болотний | Дерново-підзолистий | Сірий опідзолений | Чорнозем

Teq | Tes | Teq | Tes | Teq | Tes | Teq | Tes

Природні трави | 0,87 | 5,7 | 2,1 | 28 | 1,6 | 26 | - | -

Сіяні злакові трави | 0,92 | 6,6 | 2,0 | 11 | 1,9 | 35 | 1,3 | 53

Кормові трави | 0,97 | 7,1 | 1,8 | 24 | 1,7 | 36 | 1,2 | 91

Овочеві | - | - | 1,5 | 14 | 1,7 | 26 | 1,3 | 124

Бульби, коренеплоди, цибуля | 0,87 | 6,4 | 2,2 | 21 | 1,7 | 46 | 1,3 | 136

Зернові | 0,88 | 6,9 | 1,6 | 19 | 1,8 | 75 | 1,2 | 66

Середнє по всім культурам | 0,89 | 6,6 | 1,8 | 20 | 1,7 | 44 | 1,3 | 112

Кратність відмінностей | 1,2 | 1,4 | 1,8 | 3,5 | 1,2 | 5,6 | 1,4 | 5,0

Абсолютні значення Tes для дерново-підзолистого, сірого опідзоленого грунтів та чорнозему перевищують період досліджень, протягом якого процеси повільного зменшення TF(t) відігравали основну роль, що значно погіршує точність його визначення. Відмінності Tes для культур в межах групи мінеральних грунтів більші, ніж для торфово-болотного грунту і складають 3,5-5,8 раз.

Час встановлення рівноваги, тобто моменту, після якого процес високо селективної сорбції починає переважати у зменшенні кількості доступних для рослин форм радіоцезію, становить для дерново-підзолистого грунту 5,6 років, сірого опідзоленого – 5,7 років, чорнозему – 5,1 років. В торфово-болотному грунті такий момент наступає набагато швидше – через 2,6 років.

Аналіз параметрів динаміки накопичення 137Cs рослинами свідчить, що фіксація іонів цезію в ГПК відіграє основну роль у зменшенні обмінних форм радіоцезію в грунті, і, відповідно, у зменшенні коефіцієнту переходу радіоцезію в рослини. Порівняльна оцінка значущості природних процесів для автореабілітації показує, що самоочищення території внаслідок дефляції (вітрового переносу), поверхневого водного стоку, дифузійного і конвективного переносу вглиб профілю грунту, виносу радіонуклідів з валовим урожаєм рослин в перші 17 років після забруднення території довгоживучим і біологічно значущим радіонуклідом 137Cs вносять значно менший вклад в поліпшення радіаційного стану, ніж імобілізація (зменшення доступності для засвоєння рослинами) в результаті фізико-хімічного зв'язування нуклідів з грунтом і зменшення біологічної доступності їх для рослин.

Якісно оцінити модель динаміки та її параметри можна за допомогою детального аналізу процесів перетворення форм 137Cs у грунті. Гідратований іон 137Cs сорбується поверхнею кореневої системи, але цей процес відбувається одночасно з сорбцією іону на органічних, органо-мінеральних колоїдах та заряджених поверхнях мінералів – перший етап поглинання. Другий етап - поглинання іонів 137Cs ГПК на місцях селективної частково обмінної сорбції (селективно поглинена в устьових зонах глинистих мінералів форма, частково обмінна), локалізованих в устьових областях кришталевої гратки глинистих мінералів групи 2:1. На протязі третього етапу 137Cs поступово переходить в центри екстремально високої селективності (високо селективно поглинена в міжпакетних просторах глинистих мінералів форма, практично необмінна). Характерний час встановлення рівноваги між ланками: (водно-розчинна форма, іонна)- (обмінно поглинена форма: адсорбція та сорбція на колоїдах, заряджених поверхнях і т.і) - хвилини-години; - - місяці-роки; - - десятки років. Співставлення значень періодів напівзменшення коефіцієнту переходу радіоцезію з часом встановлення рівноваги в різних ланках процесу перетворення форм цезію у грунті дозволяє припустити, що параметри Teq і Tes характеризують зміну доступності радіонукліду для засвоєння рослинами завдяки переходу іонів з в і з в відповідно.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Рекомендації для виробництва

1.

2.

3.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Виноградська В.Д. Динаміка накопичення 137Cs сільськогосподарськими культурами в умовах Українського Полісся та Лісостепу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. Інститут агроекології та біотехнології Української Академії Аграрних Наук, Київ,